JP3496156B2 - Variable control of electroosmotic and / or electrophoretic force via electric force in a fluid containing structure - Google Patents

Variable control of electroosmotic and / or electrophoretic force via electric force in a fluid containing structure

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Abstract

In a microfluidic system (partially shown by element 178 in the figure and elements thereupon) using electrokinetic forces, the present invention uses electrical current or electrical parameters, other than voltage, to control the movement of fluids through the channels of the system. Time-multiplexed power supplies (200 and 202) also provide further control over fluid movement by varying the voltage on an electrode connected to a fluid reservoir of the microfluidic system, by varying the duty cycle during which the voltage is applied to the electrode, or by a combination of both. A time-multiplexed power supply can also be connected to more than one electrode for a saving in cost. <IMAGE>

Description

【発明の詳細な説明】 関連出願との相互参照 本願は、1996年7月3日付けで出願された米国特許出
願シリアルNo.08/678,436号の一部継続出願である。こ
の出願の全体を、本明細書において参考のためあるゆる
目的で援用する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION CROSS REFERENCE TO RELATED APPLICATION This application is a continuation-in-part of US patent application Serial No. 08 / 678,436, filed July 3, 1996. The entire application is incorporated herein by reference for all purposes.

発明の背景 化学的および生化学的情報の取得のための、微小流体
(microfluidic)システムの製造および使用に対する関
心が高まってきている。通常は半導体エレクトロニクス
産業に関連する、フォトリソグラフィー、ウェット化学
エッチングなどの技術が、これらの微小流体システムの
製造にも用いられている。「微小流体」の用語は、一般
にはミクロンまたはミクロン以下の規模で製造される
(例えば少なくとも1つの断面寸法が約0.1μmから約5
00μmの範囲を有するような)、チャネルおよびチャン
バを有するシステムまたはデバイスを指す。微小流体シ
ステムの製造のための平面チップ技術の使用の初期的な
考察が、ManzらのTrends in Anal.Chem.(1990)10
(5):144−149および、ManzらのAvd.in Chromatog.
(1993)33:1−66に記載されている。これらは、シリコ
ンおよびガラス基板における、上述のような流体デバイ
ス、特に微小キャピラリーデバイスの製造を記載してい
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION There is increasing interest in the manufacture and use of microfluidic systems for the acquisition of chemical and biochemical information. Techniques commonly associated with the semiconductor electronics industry, such as photolithography, wet chemical etching, are also used to fabricate these microfluidic systems. The term “microfluidic” is generally manufactured on the micron or sub-micron scale (eg, having at least one cross-sectional dimension of about 0.1 μm to about 5 μm).
(As having a range of 00 μm), a system or device having channels and chambers. An initial consideration of the use of planar chip technology for the fabrication of microfluidic systems is given in Manz et al. Trends in Anal. Chem. (1990) 10
(5): 144-149 and Mand et al. Avd. In Chromatog.
(1993) 33: 1-66. These describe the fabrication of fluidic devices as described above, in particular microcapillary devices, on silicon and glass substrates.

微小流体システムの応用例は無数にある。例えば、19
96年2月15日付けで公開された国際特許出願WO 96/0454
7は、キャピラリー電気泳動、液体クロマトグラフィ
ー、フロー注入分析、ならびに化学反応および合成に微
小流体システムを使用することを記載している。1996年
6月28日付けでJ.Wallace Parceらにより出願され本譲
受人に譲渡された「微小スケール流体デバイスにおける
高スループットスクリーニングアッセイシステム」の名
称を有する関連特許出願米国出願No. 、は、様
々な化学系、そして好ましくは生化学系において化合物
の影響を素早くアッセイする際の、微小流体システムの
幅広いアプリケーションを開示している。「生化学系」
の語句は、生きた生物体中に一般に見られるタイプの分
子に関わる化学的相互作用を一般に指す。そのような相
互作用には、酵素的反応、結合反応、シグナル伝達反応
(signaling reaction)およびその他の反応を含む、製
造している系の中で起こる多様な異化および同化反応が
含まれる。特に関心の高い生化学系は、例えば、レセプ
ター−リガンド相互作用、酵素−基質相互作用、細胞シ
グナル伝達経路、生体利用性スクリーニングのためのモ
デルバリヤ系(例えば細胞または膜画分など)を包含す
る輸送反応、および様々な他の一般的な系である。
There are countless applications of microfluidic systems. For example, 19
International patent application WO 96/0454 published on Feb. 15, 1996
7 describes the use of microfluidic systems for capillary electrophoresis, liquid chromatography, flow injection analysis, and chemical reactions and synthesis. A related patent application, US Application No., entitled "High Throughput Screening Assay System for Microscale Fluid Devices," filed by J. Wallace Parce et al. On June 28, 1996 and assigned to the present assignee It discloses a wide range of applications of microfluidic systems in rapidly assaying the effects of compounds in various chemical systems, and preferably biochemical systems. "Biochemistry"
The phrase generally refers to a chemical interaction involving a type of molecule commonly found in living organisms. Such interactions include a variety of catabolism and assimilation reactions that occur within the manufacturing system, including enzymatic reactions, binding reactions, signaling reactions and other reactions. Biochemical systems of particular interest include, for example, receptor-ligand interactions, enzyme-substrate interactions, cell signaling pathways, model barrier systems (eg, cell or membrane fractions) for bioavailability screening. Transport reactions, and various other common systems.

これらの微小流体システムまたはデバイス内における
サンプル、分析物、緩衝剤および試薬などの流体の輸送
および方向付けに関して、多くの方法の記載がある。1
方法においては、微小製造されたデバイス内の流体を、
デバイス内の機械的微小ポンプおよび弁により移動させ
る。公開されている英国特許出願第2 248 891号(10/18
/90)、公開されている欧州特許出願第568 902号(5/2/
92)、ならびに米国特許第5,271,724号(8/21/91)およ
び第5,277,556号(7/3/91)を参照のこと。また、Miyaz
akiらの米国特許第5,171,132号(12/21/90)も参照のこ
と。別の方法においては、音響エネルギーを用いて、音
響ストリーム(acoustic streaming)効果により、デバ
イス内の流体サンプルを移動させる。公開されているNo
rthrupおよびWhiteのPCT出願第94/05414号を参照のこ
と。率直な方法としては、外圧を加えることによりデバ
イス内の流体を移動させる。例えば、Wildingらの米国
特許第5,304,487号における説明を参照のこと。
There are numerous method descriptions for transporting and directing fluids such as samples, analytes, buffers and reagents within these microfluidic systems or devices. 1
In the method, the fluid in the microfabricated device is
It is moved by mechanical micropumps and valves within the device. Published British Patent Application No. 2 248 891 (10/18
/ 90), published European patent application No. 568 902 (5/2 /
92), and U.S. Pat. Nos. 5,271,724 (8/21/91) and 5,277,556 (7/3/91). Also, Miyaz
See also U.S. Pat. No. 5,171,132 (12/21/90) to aki et al. In another method, acoustic energy is used to move a fluid sample within a device due to acoustic streaming effects. Published No
See PCT Application No. 94/05414 to rthrup and White. A straightforward method is to move the fluid within the device by applying external pressure. See, eg, Wilding et al., US Pat. No. 5,304,487.

さらに別の方法では、電界および、結果として得られ
る動電力(electrokinetic force)を用いることにより
微小流体システムのチャネルを通って流体物質を移動さ
せる。例えば、公開されているKovacsの欧州特許出願第
376 611号(12/30/88)、HarrisonらのAnal.Chem.(199
2)64:1926−1932およびManzらのJ.Chromatog.(1992)
593:253−258、ならびにSoaneの米国特許第5,126,022号
を参照のこと。動電力は、直接制御、高速応答および単
純性の利点を有する。しかし、この微小流体システムの
動作方法には依然としていくつかの欠点が存在する。
Yet another method uses an electric field and the resulting electrokinetic force to move fluid material through the channels of a microfluidic system. For example, the published European patent application No. 1 by Kovacs
376 611 (12/30/88), Harrison et al. Anal. Chem. (199
2) 64: 1926-1932 and Manz et al., J. Chromatog. (1992).
593: 253-258, as well as Soane U.S. Pat. No. 5,126,022. Dynamic power has the advantages of direct control, fast response and simplicity. However, there are still some drawbacks to this method of operating microfluidic systems.

本デバイスは、電気絶縁性物質の基板中におけるチャ
ネルのネットワークを用いる。チャネルは、高電圧電極
に接触する複数の流体レザバーを接続している。流体物
質をチャネルのネットワークを通って移動させるため
に、様々な電極に特定の電圧が同時に印加される。ある
チャネル中における物質フローを別のチャネルにおける
フローに影響することなく制御しようとすると、システ
ム中の各電極の電圧値の決定は複雑になる。例えば、4
つのチャネルが十字型に交差しチャネルの端部にレザバ
ーおよび電極を有する比較的単純な構成において、2つ
のレザバー間の流体フローの独立的な増加は、単に2つ
のレザバーにおける電圧差を増加するだけの問題ではな
い。他の2つのレザバーにおける電圧もまた、その元の
フローおよび方向を維持するのであれば、調節されなけ
ればならない。さらに、チャネル、交差点、およびレザ
バーの数が増えるにつれ、チャネルを通る流体の制御は
より複雑になる。
The device uses a network of channels in a substrate of electrically insulating material. The channel connects a plurality of fluid reservoirs that contact the high voltage electrode. Specific voltages are simultaneously applied to the various electrodes to move the fluid material through the network of channels. Attempting to control the material flow in one channel without affecting the flow in another channel complicates the determination of the voltage value at each electrode in the system. For example, 4
In a relatively simple configuration with two channels intersecting in a cross and having reservoirs and electrodes at the ends of the channels, an independent increase in fluid flow between the two reservoirs merely increases the voltage difference between the two reservoirs. It doesn't matter. The voltages at the other two reservoirs must also be adjusted if they maintain their original flow and direction. Moreover, as the number of channels, intersections, and reservoirs increases, the control of fluid through the channels becomes more complex.

また、デバイス中の電極に印加される電圧は高く(す
なわち数千ボルト/cmをサポートするレベルまで)なり
得る。制御(regulate)された高電圧源は高価であり、
かさばり、しばしば不正確であり高電圧源が各電極に対
して必要になる。従って、任意の複雑さを有する微小流
体システムにおいて、コストが制約(prohibitive)と
なり得る。
Also, the voltage applied to the electrodes in the device can be high (ie, to a level that supports thousands of volts / cm). Regulated high voltage sources are expensive,
Bulky, often inaccurate and requires a high voltage source for each electrode. Therefore, cost can be prohibitive in microfluidic systems of arbitrary complexity.

本発明は、電圧以外の電気的パラメータを用いること
によってシステムのチャネルを通る物質のフローの制御
を単純化した微小流体システムにおいて、動電学的輸送
の有するこれらの問題を解決または実質的に緩和する。
化学、生化学、バイオテクノロジー、分子生物学、およ
び他の多くの分野などの幅広い範囲のアプリケーション
において、微小流体システムのチャネルを通る物質の移
動に関して直接的、高速かつ率直な制御を有する高スル
ープットの微小流体システムが、可能である。
The present invention solves or substantially alleviates these problems of electrokinetic transport in microfluidic systems that simplify the control of the flow of matter through the channels of the system by using electrical parameters other than voltage. To do.
A wide range of applications such as chemistry, biochemistry, biotechnology, molecular biology, and many other fields, with high throughput and direct, fast and straightforward control over the transfer of substances through the channels of microfluidic systems. Microfluidic systems are possible.

発明の要旨 本発明は、複数の相互接続されたキャピラリーチャネ
ルおよび、キャピラリーチャネルの異なるノードにあり
キャピラリーチャネル内に電界を作り出してキャピラリ
ーチャネルを通して流体内の物質を動電学的に移動させ
る複数の電極を有する、微小流体システムを提供する。
本発明によれば、第1および第2の電極の間の電流に応
答して第1の電極と第2の電極との間に電圧を印加しそ
の間で物質を移動させることにより、微小流体システム
は動作される。電流は、微小流体システムのチャネルを
通るイオン流の直接的な尺度を与え得る。電流以外に、
電力などの他の電気的パラメータもまた用い得る。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is directed to a plurality of interconnected capillary channels and a plurality of electrodes at different nodes of the capillary channels that create an electric field within the capillary channels to electrokinetically move substances in a fluid through the capillary channels. A microfluidic system having:
According to the present invention, a microfluidic system is provided by applying a voltage between a first electrode and a second electrode in response to an electric current between the first and second electrodes to move a substance therebetween. Is operated. The electric current may provide a direct measure of ion flow through the channels of the microfluidic system. Besides current
Other electrical parameters such as power may also be used.

さらに本発明は、微小流体システムの電極上の電源電
圧を時間多重化を提供することにより、より正確かつ効
率的な制御を行う。電極への電圧は、電極の電源への接
続のデューティサイクルを変化すること、デューティサ
イクル中に電極への電圧を変化すること、あるいはその
両方の組み合わせにより制御され得る。このようにし
て、1つの電源により1つ以上の電極に対応することが
できる。
Further, the present invention provides more accurate and efficient control of the power supply voltage on the electrodes of the microfluidic system by providing time multiplexing. The voltage to the electrodes can be controlled by changing the duty cycle of the connection of the electrodes to the power supply, changing the voltage to the electrodes during the duty cycle, or a combination of both. In this way, one power supply can accommodate more than one electrode.

本発明はまた、微小流体システム中のチャネル内にお
いて電圧を直接監視することを提供する。微小流体シス
テムの表面上の導電性リード(conducting lead)は、
あるチャネル中において電気分解を防ぐために十分に狭
い幅を有する。リードは、やはり基板表面に設けられた
分圧回路に接続されている。分圧回路がチャネルノード
の読み出し電圧を下げるため、特別な高電圧電圧計の必
要がない。分圧回路はまた、チャネルから無視し得る電
流を引き出すことにより、例えばガス発生、酸化/還元
反応などの望ましくない電気化学的効果を最小にするよ
うに設計される。
The present invention also provides for direct voltage monitoring within channels in microfluidic systems. Conducting leads on the surface of microfluidic systems are
It has a width narrow enough to prevent electrolysis in some channels. The leads are also connected to a voltage dividing circuit provided on the surface of the substrate. Since the voltage divider circuit lowers the read voltage of the channel node, no special high voltage voltmeter is needed. The voltage divider circuit is also designed to minimize undesired electrochemical effects, such as gassing, oxidation / reduction reactions, by drawing negligible current out of the channel.

上述の発明は例えば以下のような複数の異なる使用に
供し得、これらの使用自体も発明性を有する: 少なくとも1つのチャネルを有する基板の使用であっ
て、チャネルに対応付けられた2つの電極間にこれら電
極における電流に応答して電圧を印加することにより、
対象物質(subject material)が動電学的に輸送され
る、使用。
The invention described above may be subject to a number of different uses, such as the following, which are themselves inventive: the use of a substrate having at least one channel between two electrodes associated with the channel. By applying a voltage in response to the current at these electrodes,
Use, where the subject material is electrokinetically transported.

上記発明の使用であって、基板は複数の相互接続され
たチャネルおよび対応付けられた電極を有しており、所
定の電極に電極における電流に応答して電圧を印加する
ことにより、チャネルのうち1つ以上を含む所定の経路
に沿って対象物質が輸送される、使用。
A use of the above invention, wherein the substrate has a plurality of interconnected channels and associated electrodes, wherein a voltage is applied to a given electrode in response to a current at the electrodes, Use, in which a substance of interest is transported along a predetermined route including one or more.

少なくとも1つのチャネルを有する基板の使用であっ
て、チャネルに対応付けられた電極間に電気的パラメー
タの制御された時間依存的な印加を行うことにより、対
象物質が動電学的に輸送される、使用。
Use of a substrate having at least one channel for electrokinetically transporting a substance of interest by applying a controlled time-dependent application of an electrical parameter between electrodes associated with the channel. ,use.

上記発明の使用であって、電気的パラメータは電圧、
電流または電力を含む、使用。
Use of the above invention, wherein the electrical parameter is voltage,
Use, including current or power.

複数のチャネルおよびチャネルに対応付けられた複数
の電極を有する絶縁性基板の使用であって、電極への電
圧の印加によりチャネル中に電界が発生し、基板上の少
なくとも1つの導電性リードがチャネル位置まで延びる
ことによりチャネル位置における電気的パラメータを決
定することができる、使用。
Use of an insulating substrate having a plurality of channels and a plurality of electrodes associated with the channels, wherein application of a voltage to the electrodes produces an electric field in the channels such that at least one conductive lead on the substrate Use, which can determine an electrical parameter at a channel position by extending to a position.

導電性リードは、1ボルト未満、好ましくは0.1ボル
ト未満の電圧がチャネル位置にある導電性リードの両端
に作り出されるように十分に小さい幅を有する、上記発
明の使用。
The use of the above invention, wherein the conductive lead has a width small enough so that a voltage of less than 1 volt, preferably less than 0.1 volt, is created across the conductive lead at the channel location.

複数の相互接続されたキャピラリーチャネルを有する
絶縁性基板と、キャピラリーチャネルの異なるノードに
ありキャピラリーチャネル内に電界を作り出してキャピ
ラリーチャネルを通して流体内の物質を動電学的に移動
させる複数の電極と、電極のうち少なくとも1つに接続
され、制御可能な基準電圧を受け取る第1の入力端子、
第2の入力端子、および出力端子を有する混合ブロック
を有する電源と;混合ブロックの出力端子に接続され、
第1の出力端子および第2の出力端子を有する電圧増幅
器であって、第1の出力端子が該少なくとも1つの電極
に接続された電圧増幅器と;電圧増幅器の第1の出力端
子に接続されたフィードバックブロックであって、混合
ブロックの第2の入力端子に接続された出力端子を有し
ており、電源を安定化させるための負のフィードバック
を与えるフィードバックブロックと、の使用。
An insulating substrate having a plurality of interconnected capillary channels, and a plurality of electrodes at different nodes of the capillary channel that create an electric field in the capillary channels to electrokinetically move substances in the fluid through the capillary channels, A first input terminal connected to at least one of the electrodes and receiving a controllable reference voltage;
A power supply having a mixing block having a second input terminal and an output terminal; connected to the output terminal of the mixing block,
A voltage amplifier having a first output terminal and a second output terminal, the first output terminal connected to the at least one electrode; and a voltage amplifier connected to the first output terminal of the voltage amplifier. A feedback block having an output terminal connected to the second input terminal of the mixing block and providing negative feedback for stabilizing the power supply.

上記発明の使用であって、フィードバックブロック
は、電圧増幅器の第2の出力端子にも接続され、フィー
ドバックブロックは、第1の出力端子における電圧に応
答して第1のフィードバック電圧を発生し、第1の出力
端子を介して前記少なくとも1つの電極に送達されるあ
る量の電流に応答して第2のフィードバック電圧を発生
し、フィードバックブロックは、制御信号に応答して第
1または第2のフィードバック電圧を混合ブロックに送
ることにより電圧または電流フィードバックによって電
源を選択的に安定化させるためのスイッチを有する、使
用。
Use of the above invention, in which the feedback block is also connected to the second output terminal of the voltage amplifier, the feedback block generating a first feedback voltage in response to the voltage at the first output terminal, A second feedback voltage in response to an amount of current delivered to the at least one electrode via one output terminal, the feedback block responding to a control signal, the first or second feedback. Use, having a switch for selectively stabilizing the power supply by voltage or current feedback by sending the voltage to a mixing block.

微小流体システムの少なくとも1つの電極に接続さ
れ、制御可能な基準電圧を受け取る第1の入力端子、第
2の入力端子、および出力端子を有する混合ブロックを
有する電源と;混合ブロックの出力端子に接続され、第
1の出力端子および第2の出力端子を有する電圧増幅器
であって、第1の出力端子が該少なくとも1つの電極に
接続された電圧増幅器と;電圧増幅器の第1および第2
の出力端子ならびに混合ブロックの第2の入力端子に接
続されたフィードバックブロックであって、第1の出力
端子における電圧に応答して第1のフィードバック電圧
を発生し、第1の出力端子を介して前記少なくとも1つ
の電極に送達されるある量の電流に応答して第2のフィ
ードバック電圧を発生し、制御信号に応答して第1また
は第2のフィードバック電圧を混合ブロックに送ること
により負のフィードバックによって電源を電圧または電
流において選択的に安定化させるためのスイッチを有す
る、フィードバックブロックと、の使用。
A power supply having a mixing block connected to at least one electrode of the microfluidic system and having a controllable reference voltage, a first input terminal, a second input terminal and an output terminal; connecting to an output terminal of the mixing block A voltage amplifier having a first output terminal and a second output terminal, the first output terminal being connected to the at least one electrode; first and second voltage amplifiers;
A feedback block connected to the output terminal and the second input terminal of the mixing block, the first feedback voltage being generated in response to the voltage at the first output terminal via the first output terminal. Negative feedback by generating a second feedback voltage in response to an amount of current delivered to the at least one electrode and sending the first or second feedback voltage to a mixing block in response to a control signal. A feedback block having a switch for selectively stabilizing the power supply in voltage or current.

相互接続された複数のキャピラリーチャネルと、キャ
ピラリーチャネルの異なるノードにありキャピラリーチ
ャネル内に電界を作り出してキャピラリーチャネルを通
して流体内の物質を動電学的に移動させる複数の電極
と、電極の各々に接続された複数の電源であって、各電
源は選択された電圧および選択された量の電流を接続さ
れた電極に供給源(source)またはシンク(sink)とし
て選択的に供給することができる電源と、を基板が有す
る、微小流体システムシステムの使用。
Multiple interconnected capillary channels, multiple electrodes at different nodes of the capillary channel that create an electric field in the capillary channels to electrokinetically move substances in the fluid through the capillary channels, and connect to each of the electrodes A plurality of power sources, each power source capable of selectively supplying a selected voltage and a selected amount of current to the connected electrodes as a source or a sink. The substrate has a microfluidic system.

図面の簡単な説明 図1は、微小流体システムの代表図である。Brief description of the drawings   FIG. 1 is a representative view of a microfluidic system.

図2Aは、図1におけるような微小流体システムのチャ
ネルの一例を示す;図2Bは、図2Aにおけるチャネルに沿
って作成された電気回路を表す。
2A shows an example of channels in a microfluidic system as in FIG. 1; FIG. 2B represents an electrical circuit created along the channels in FIG. 2A.

図3Aは、従来技術の電源の、出力電圧対時間のグラフ
である;図3Bは、本発明による時間多重化された電源
の、出力電圧対時間のグラフである。
FIG. 3A is a graph of output voltage versus time for a prior art power supply; FIG. 3B is a graph of output voltage versus time for a time multiplexed power supply according to the present invention.

図4Aは、本発明による時間多重化された電圧で動作す
る微小流体システムの代表図である;図4Bは、図4Aにお
ける電源のユニットを示すブロック図である。
4A is a representative diagram of a time-multiplexed voltage-operated microfluidic system according to the present invention; FIG. 4B is a block diagram illustrating a unit of the power supply in FIG. 4A.

図5Aは、本発明による電圧監視ノードを有する微小流
体システムの代表図である;図5Bは、図5Aの分圧回路の
詳細を示す。
5A is a representative diagram of a microfluidic system having a voltage monitoring node according to the present invention; FIG. 5B shows details of the voltage divider circuit of FIG. 5A.

図6Aは、図4Bの電源ユニットのブロック図である;図
6Bは、図6AのDC−DCコンバータブロックのアンプブロッ
ク図である。
Figure 6A is a block diagram of the power supply unit of Figure 4B;
6B is an amplifier block diagram of the DC-DC converter block of FIG. 6A.

発明の詳細な説明 図1は、本発明に基づいて動作する、微小流体システ
ム100例の一部分の代表図である。図示のように、シス
テム全体100は、平面状基板120内に製造される。適切な
基板物質は一般的に、デバイスによって行われるべき特
定の動作中において存在する条件に対する適合性に基づ
いて選択される。そのような条件は、pHの極値、温度、
イオン濃度、および電界の印加を含み得る。また、基板
物質も、システムによって行われる分析または合成の重
要成分に対して不活性であるように選択される。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION FIG. 1 is a representative view of a portion of an example microfluidic system 100 operating in accordance with the present invention. As shown, the entire system 100 is manufactured within a planar substrate 120. Appropriate substrate materials are generally selected based on their suitability for the conditions present during the particular operation to be performed by the device. Such conditions include extremes of pH, temperature,
It may include ion concentration and application of an electric field. The substrate material is also chosen to be inert to the key components of the analysis or synthesis performed by the system.

図1に示すシステムは、基板102の表面内に製造され
た一連のチャネル110、112、114および116を有してい
る。「微小流体」の定義において述べられるように、こ
れらのチャネルは典型的には非常に小さい断面寸法を有
している。後述する特定のアプリケーションにおいて
は、約10μmの深さおよび約60μmの幅を有するチャネ
ルが効果的に動作するが、これらの寸法からはずれるこ
ともまた可能である。微小流体システム100は、分析、
試験、他の物質との混合、アッセイおよびこれらの操作
の組み合わせを含む様々な目的のために、基板102の様
々なチャネルを通って対象物質(subject material)を
輸送する。「対象物質」の用語は単に、問題とする化合
物または生物学的化合物などの物質を指す。対象化合物
は、化合物、化合物の混合物(例えば多糖類)、小さい
有機分子または無機分子、生物学的マクロ分子(例えば
ペプチド、タンパク質、核酸、あるいは細菌、植物、菌
類、または動物細胞もしくは組織などの生物学的物質か
ら作成された抽出物)、天然に生じる組成物または合成
組成物などを含む、広範な異なる化合物を含み得る。
The system shown in FIG. 1 has a series of channels 110, 112, 114 and 116 fabricated in the surface of substrate 102. As mentioned in the definition of "microfluidic", these channels typically have very small cross-sectional dimensions. Channels having a depth of about 10 μm and a width of about 60 μm operate effectively in the specific applications described below, although deviations from these dimensions are also possible. Microfluidic system 100
The subject material is transported through various channels of the substrate 102 for various purposes including testing, mixing with other substances, assays and combinations of these operations. The term "substance of interest" simply refers to a substance such as a compound or biological compound of interest. A compound of interest can be a compound, a mixture of compounds (eg, a polysaccharide), a small organic or inorganic molecule, a biological macromolecule (eg, a peptide, protein, nucleic acid, or organism such as a bacterium, plant, fungus, or animal cell or tissue). Extract made from biological materials), naturally-occurring or synthetic compositions, and the like.

有用な基板物質は例えば、ガラス、石英、セラミック
およびシリコン、ならびに例えばプラスチックなどの高
分子基質(substrates)を含む。導電性または半導電性
基板の場合、基板上に絶縁層が必要である。これは後述
のように、システムは電気浸透力を用いて物質をシステ
ムにおいて移動させるために、特に重要である。高分子
基質の場合、使用目的に依存して基板物質は剛体、準剛
体または非剛体、不透明、半透明または透明であり得
る。例えば、光学的または視覚的検出要素を有するデバ
イスは一般に、検出を可能にするか少なくとも容易にす
るために、少なくとも一部は透明物質から製造される。
あるいは、これらのタイプの検出要素のために、例えば
ガラスまたは石英からなる透明窓をデバイスに備えても
よい。さらに、高分子物質は直鎖状または分岐鎖状骨格
を有していてもよく、架橋されていてもされていなくて
もよい。特に好適な高分子物質の例としては、例えば、
ポリジメチルシロキサン(PDMS)、ポリウレタン、ポリ
塩化ビニル(PVC)、ポリスチレン、ポリスルホン、ポ
リカーボネート、ポリメチルメタクリレート(PMMA)な
どがある。
Useful substrate materials include, for example, glass, quartz, ceramics and silicon, and polymeric substrates such as plastics. For conductive or semi-conductive substrates, an insulating layer is required on the substrate. This is particularly important for the system to use electroosmotic forces to move substances through the system, as described below. In the case of polymeric substrates, the substrate material may be rigid, semi-rigid or non-rigid, opaque, translucent or transparent, depending on the intended use. For example, devices with optical or visual detection elements are generally manufactured at least in part from transparent materials to allow or at least facilitate detection.
Alternatively, for these types of sensing elements, the device may be provided with a transparent window, for example made of glass or quartz. Further, the polymer substance may have a linear or branched skeleton, and may be crosslinked or not. Examples of particularly suitable polymer substances include, for example,
Polydimethylsiloxane (PDMS), polyurethane, polyvinyl chloride (PVC), polystyrene, polysulfone, polycarbonate, polymethylmethacrylate (PMMA), etc.

これらのチャネルおよび他の微小スケール要素を基板
102の表面内に製造することは、任意の数の当該分野で
周知の微小製造技術を用いて行い得る。例えば、半導体
製造産業において周知の方法とともにリソグラフィー技
術を用いてガラス、石英またはシリコン基板を製造して
もよい。フォトリソグラフィーマスキング、プラズマエ
ッチングまたはウェットエッチング、およびその他の半
導体プロセス技術は、基板内または基板上に微小スケー
ルの要素を規定する。あるいは、レーザドリリング、微
小ミリング(micromilling)などの微小機械加工法を用
いてもよい。同様に、高分子基質に対しても、周知の製
造技術が用いられ得る。これらの技術は、例えばローリ
ングスタンプを用いて微小スケールの基質の大きなシー
トを作成することにより多数の基質を作成し得る射出成
形技術またはスタンプ成形法、または、基質を微小加工
鋳型内で重合する高分子微小鋳造技術を含む。
Substrate these channels and other microscale elements
Fabrication within the surface of 102 may be performed using any number of microfabrication techniques known in the art. For example, glass, quartz or silicon substrates may be manufactured using lithographic techniques in conjunction with methods well known in the semiconductor manufacturing industry. Photolithographic masking, plasma etching or wet etching, and other semiconductor processing techniques define microscale features within or on a substrate. Alternatively, a micromachining method such as laser drilling or micromilling may be used. Similarly, well known manufacturing techniques can be used for polymeric substrates. These techniques can be injection molding techniques or stamping techniques that can create large numbers of substrates, for example, by making large sheets of microscale substrates using rolling stamps, or high polymerization of substrates in microfabricated molds. Including molecular micro-casting technology.

基板102に加え、微小流体システム100はチャネルを作
成した基板102に重なる追加的な平面状要素(図示せ
ず)を有することにより、様々なチャネルを封じ(encl
ose)かつ流体的に密閉して導管を形成する。平面状カ
バー要素は、熱接合、接着剤、あるいは、ガラスまたは
準剛体および非剛体高分子基質などの特定の基質の場合
には、2つの構成要素間の自然な癒着などを含む様々な
手段により、基質に取り付けられ得る。特定のスクリー
ニングに必要な様々な流体要素を導入するためのアクセ
スポートおよび/またはレザバー(reservoir)を、平
面状カバー要素にさらに設けてもよい。
In addition to the substrate 102, the microfluidic system 100 has additional planar elements (not shown) overlying the channeled substrate 102 to enclose the various channels.
ose) and fluidically sealed to form a conduit. Planar cover elements may be provided by a variety of means including thermal bonding, adhesives, or in the case of certain substrates such as glass or quasi-rigid and non-rigid polymeric substrates, such as natural adhesion between the two components. , Can be attached to a substrate. The planar cover element may further be provided with access ports and / or reservoirs for introducing various fluidic elements required for a particular screening.

図1に示すシステム100はまた、チャネル114、116お
よび110の端部にそれぞれ位置しかつ流体連通された、
レザバー104、106および108を有する。図示のようにチ
ャネル112を用いて、複数の異なる対象物質をデバイス
に導入する。このようにチャネル112は多数の別々の対
象物質のソースに流体連通され、多数の別々の対象物質
は、個々にチャネル112中に導入された後、例えば電気
泳動分析のために、別のチャネル110中に導入される。
対象物質は、所定のイオン濃度を有する流体スラグ領域
120中を輸送される。これらの領域は、様々なイオン濃
度を有する緩衝領域(図1において緩衝領域121と表さ
れる)によって分離される。関連特許出願であり、両方
とも「電子ピペッタおよび、電気泳動バイアスのための
補償手段」の名称を有し、本譲受人に譲渡されたJ.Wall
ace ParceおよびMichael R.Knappの1996年6月28日付け
出願の米国出願第08/671,986号、1996年12月6日付け出
願の米国出願第08/760,446号は、スラグの様々な構成を
説明しており、動電力による対象物質の輸送における高
イオン濃度および低イオン濃度の緩衝領域を説明してい
る。これらの出願の全体を本明細書において参考のため
にあらゆる目的で援用する。
The system 100 shown in FIG. 1 is also located and in fluid communication with the ends of channels 114, 116 and 110, respectively.
It has reservoirs 104, 106 and 108. A plurality of different target substances are introduced into the device using the channel 112 as shown. Thus, the channel 112 is in fluid communication with a source of a number of separate target substances, and the plurality of separate target substances are individually introduced into the channel 112 before being separated into another channel 110, for example for electrophoretic analysis. Introduced in.
The target substance is a fluid slag region with a predetermined ion concentration.
Transported through 120. These areas are separated by a buffer area (denoted as buffer area 121 in FIG. 1) having various ion concentrations. J. Wall, a related patent application, both of which have the title "Electronic Pipettor and Compensation Means for Electrophoretic Bias" and are assigned to the present assignee.
Ace Parce and Michael R. Knapp, US Application No. 08 / 671,986, filed June 28, 1996, and US Application 08 / 760,446, filed December 6, 1996, describe various configurations of slag. That is, the buffer regions of high ion concentration and low ion concentration in the transport of the target substance by electromotive force are explained. The entire contents of these applications are incorporated herein by reference for all purposes.

物質をチャネル110、112、114および116を通って移動
させるために、各レザバーに選択された電圧レベル(接
地を含む)を同時に印加する能力を有する電圧コントロ
ーラを用い得る。そのような電圧コントローラは、複数
の分圧器および複数のリレーを用いて選択的な電圧レベ
ルを得ることによって実現することができる。あるい
は、複数の独立な電圧源を用いてもよい。電圧コントロ
ーラは、レザバー104、106および108のそれぞれ内に位
置するあるいは製造された電極を介して、各レザバーに
電気的に接続される。例えば、公開されているRamseyの
国際特許出願No.WO 96/04547を参照せよ。この文献全体
を本明細書において参考のためあるゆる目的で援用す
る。
A voltage controller capable of simultaneously applying a selected voltage level (including ground) to each reservoir may be used to move material through the channels 110, 112, 114 and 116. Such a voltage controller can be implemented by using multiple voltage dividers and multiple relays to obtain selective voltage levels. Alternatively, multiple independent voltage sources may be used. The voltage controller is electrically connected to each reservoir via electrodes located or manufactured in each of the reservoirs 104, 106 and 108. See, for example, published Ramsey International Patent Application No. WO 96/04547. This entire document is hereby incorporated by reference for all purposes.

複雑さに加えて、微小流体システムにおける電圧制御
には他の問題もある。図2Aは、電極133および135にそれ
ぞれ接触し、基板128から出ているように図示された電
気的リードに接続された、2つのレザバー132および134
の間のチャネル130を示している。この例をより現実的
にするため、チャネル130は、他の2つのチャネル136お
よび138に接続されているように示されている。動作的
には、レザバー132は、対象物質を含有するスラグ120の
ソースである。スラグ120は、シンクとして作用するレ
ザバー134に向かって移動する。チャネル136および138
は、チャネル130中のスラグ120を分離するための緩衝領
域121を提供する。
In addition to complexity, there are other problems with voltage control in microfluidic systems. FIG. 2A shows two reservoirs 132 and 134 contacting electrodes 133 and 135, respectively, and connected to the electrical leads shown as emerging from substrate 128.
Channel 130 between is shown. To make this example more realistic, channel 130 is shown connected to the other two channels 136 and 138. Operationally, reservoir 132 is the source of slag 120 containing the substance of interest. The slug 120 moves towards the reservoir 134, which acts as a sink. Channels 136 and 138
Provides a buffer region 121 for separating the slug 120 in the channel 130.

チャネル130中のスラグ120と緩衝領域121との抵抗が
異なることにより、この単純な例において記号的に示さ
れる電気回路が創出される。2つの電極133および135の
間に印加される電圧Vは、 である。ここでIは、2つの電極133および135の間の電
流であり(136および138中に流れ込む電流は無いと仮定
する)、Riは、異なるスラグ120および緩衝領域121の抵
抗である。
The different resistances of slug 120 and buffer region 121 in channel 130 create the electrical circuit symbolically shown in this simple example. The voltage V applied between the two electrodes 133 and 135 is Is. Where I is the current between the two electrodes 133 and 135 (assuming no current flows into 136 and 138) and R i is the resistance of the different slugs 120 and buffer regions 121.

電圧制御システムは、システムの動作と干渉し得る多
くの要因に曝される。例えば、電極と流体との界面にお
ける接触は、問題の種となり得る。電極から流体への接
触の実効抵抗が例えば汚染物質、気泡、酸化により変化
する場合、流体に印加される電圧が変化する。Vを電極
に設定したとき、電極上の気泡の形成に起因した溶液に
接触する電極の表面積の減少は、電極から溶液への抵抗
の増加をもたらす。これにより、電極間の電流が減少
し、その結果、チャネル130内に誘導される電気浸透力
および電気泳動力が減少する。
Voltage control systems are exposed to many factors that can interfere with the operation of the system. For example, contact at the electrode-fluid interface can be a source of problems. If the effective resistance of contact from the electrode to the fluid changes due to, for example, contaminants, bubbles, oxidation, the voltage applied to the fluid will change. When V is set on the electrode, the reduction in the surface area of the electrode in contact with the solution due to the formation of bubbles on the electrode results in an increase in resistance from the electrode to the solution. This reduces the current between the electrodes and, consequently, the electroosmotic and electrophoretic forces induced in the channel 130.

他の問題もチャネルの電流フロー(current flow)に
影響を与え得る。望ましくない微粒子が、チャネルの断
面積を実効的に変更してしまうことにより、チャネル抵
抗に影響を与え得る。やはり、チャネル抵抗が変化する
と、物理的な電流フローが変化する。
Other issues can also affect the current flow in the channel. Unwanted particles can affect the channel resistance by effectively changing the cross-sectional area of the channel. Again, when the channel resistance changes, the physical current flow changes.

例示したチャネル130に接続されたチャネル136および
138などの他のチャネルにおいても、基板102内のチャネ
ルの幾何学形状の寸法変化は、電圧制御システムの動作
に重大な影響を与え得る。例えば、チャネル130、136お
よび138の交差ノードは、チャネル136の端部におけるレ
ザバー用の電極(図示せず)からX距離離れ、チャネル
138の端部におけるレザバー用の電極(図示せず)から
Y距離離れているとする。フォトリソグラフィープロセ
スにおけるわずかな横方向の位置合わせずれにより、距
離XおよびYは、別の基板上の微小流体システムでは同
一ではなくなる。交差ノードにおける流体移動が適切に
制御されるためには電圧制御を基板毎に再較正しなけれ
ばならないが、これは時間がかかり高価につくプロセス
である。
Channel 136 connected to the illustrated channel 130 and
Also in other channels, such as 138, dimensional changes in the channel geometry in the substrate 102 can significantly impact the operation of the voltage control system. For example, the intersection node of channels 130, 136 and 138 may be X distances away from the electrodes (not shown) for the reservoir at the ends of channel 136,
It is assumed that it is separated from the reservoir electrode (not shown) at the end of 138 by a Y distance. Due to the slight lateral misalignment in the photolithography process, the distances X and Y will not be the same in a microfluidic system on another substrate. Voltage control must be recalibrated from substrate to substrate in order for fluid movement at crossing nodes to be properly controlled, a time consuming and expensive process.

これらの問題を避けるために、本発明は、微小流体シ
ステム100において電流制御を用いる。所定の電極での
電流は、電極が配置されるレザバーに接続するチャネル
に沿って流れるイオン流に直接関係する。これは、電圧
制御システムにおけるチャネルに沿った様々なノードで
の電圧を測定するという要件とは対照的である。従っ
て、微小流体システム100の電極の電圧は、システム100
の様々な電極を通って流れる電流に応じて設定される。
電流制御は、基板102上に微小流体システムを形成する
プロセスでの寸法の変動にはそれほど左右されない。電
流制御により、複合微小流体システム内の対象物質およ
び緩衝剤流体に対して吸引、バルブ調節、分与、混合、
および濃縮を行う場合の動作がはるかに容易になる。電
流制御はまた、チャネル内の望ましくない温度効果を緩
和するのにも好適である。
To avoid these problems, the present invention uses current control in the microfluidic system 100. The current at a given electrode is directly related to the flow of ions along the channel that connects to the reservoir in which the electrode is located. This is in contrast to the requirement of measuring the voltage at various nodes along the channel in a voltage controlled system. Therefore, the voltage on the electrodes of the microfluidic system 100 is
Is set according to the current flowing through the various electrodes of the.
Current control is less sensitive to dimensional variations in the process of forming the microfluidic system on the substrate 102. Current control allows aspiration, valving, dispensing, mixing of target and buffer fluids in complex microfluidic systems
And the operation when performing the concentration is much easier. Current control is also suitable for mitigating unwanted temperature effects in the channel.

当然ながら、電極間のイオン流の直接の測定基準(me
asure)を提供する電流以外に、電流に関連する他の電
気パラメータ、例えば電力を、微小流体システム100の
制御として用いてもよい。電力は、電極を通る電流を間
接的に測定する。従って、電極間の物理的な電流(およ
びイオン流)が、電極を通る電力によってモニタされ得
る。
Of course, a direct metric of the ion flow between the electrodes (me
In addition to the current providing the asure), other electrical parameters related to the current may be used as controls for the microfluidic system 100. Power indirectly measures the current through the electrodes. Thus, the physical current (and ionic current) between the electrodes can be monitored by the power through the electrodes.

上述の電流制御システムによっても、微小流体システ
ムの電極には依然として高電圧が印加されねばならな
い。連続した正確な高電圧を生成し得る高コストの電源
を使用する必要をなくすために、本発明は、時間多重化
電源を提供する。時間多重化電源は1つより多い電極に
電力供給することができるため、システム100に必要な
電源数が低減する。
Even with the current control system described above, a high voltage must still be applied to the electrodes of the microfluidic system. The present invention provides a time-multiplexed power supply in order to eliminate the need to use a costly power supply that can produce a continuous and accurate high voltage. The time-multiplexed power supply can power more than one electrode, thus reducing the number of power supplies required for system 100.

図3Aは、現在動電学的システムで使用されている高電
力の電源の出力の例を示す。出力は時間に関係なく2つ
の電極間で250ボルトで一定である。これに対して、図3
Bは、本発明により動作する電源の出力を示す。250ボル
トの定電圧を維持するために、出力電圧は、1000ボルト
で1/4のデューティサイクルで時間多重化される。時間
で平均化すると、グラフを横切る点線によって示される
ように、時間多重化電源の出力は250ボルトである。上
述のように、電圧が、例えば電流制御に応じて変化する
必要があるときは、時間多重化電源の出力電圧もまた、
印加電圧の変化によって、またはデューティサイクルの
変化によって、もしくはこれらの組み合わせによって変
化し得る。
FIG. 3A shows an example of the output of a high power power supply currently used in electrokinetic systems. The output is constant at 250 volts between the two electrodes regardless of time. In contrast, Figure 3
B indicates the output of a power supply operating according to the invention. To maintain a constant voltage of 250 volts, the output voltage is time multiplexed at 1000 volts with a 1/4 duty cycle. When averaged over time, the output of the time-multiplexed power supply is 250 volts, as indicated by the dotted line across the graph. As mentioned above, the output voltage of the time multiplexed power supply is also
It may be changed by changing the applied voltage, or by changing the duty cycle, or a combination thereof.

電気浸透性流体の流れは、本明細書で述べた寸法を有
するチャネル内でμ秒の時間スケールで開始および停止
される。従って、1メガヘルツより低い電圧変調周波数
では、流体は不規則な移動を示す。電気浸透性流体はプ
ラグ流の性質を有するため、これは流体の操作に悪い影
響を与えないはずである。ほとんどの化学的混合、イン
キュベーション、および分離現象は0.1から100秒の時間
スケールで起こるため、電圧操作においては、はるかに
低い周波数が許容可能である。経験則として、混合また
はピペット採取の誤差を1%未満に保つには、変調期間
は、最短の切り替え現象(例えば、1つのチャネルから
別のチャネルへの流れの切り替え)の1%未満であるべ
きである。切り替え現象が0.1秒とすると、電圧変調周
波数は1KHz以上であるべきである。
The flow of electroosmotic fluid is started and stopped on a microsecond time scale in a channel having the dimensions described herein. Therefore, at voltage modulation frequencies below 1 megahertz, the fluid exhibits irregular movement. This should not adversely affect the operation of the fluid as electroosmotic fluids have the nature of plug flow. Since most chemical mixing, incubation, and separation phenomena occur on a time scale of 0.1 to 100 seconds, much lower frequencies are acceptable in voltage operation. As a rule of thumb, to keep mixing or pipetting errors below 1%, the modulation period should be below 1% of the shortest switching phenomenon (eg, switching of flow from one channel to another). Is. Given a switching phenomenon of 0.1 seconds, the voltage modulation frequency should be above 1 KHz.

図4Aは、チャネル182、184、186および188に交差する
チャネル180を有する一例としての簡単な微小流体シス
テムに対して、2つの電源200および202とコントローラ
ブロック204とを有する多重化電源システムのブロック
図である。チャネル180は、それぞれ電極190および191
を有するレザバー179および181内で終結する。チャネル
182は電極193を有するレザバー183により終結する。チ
ャネル184は電極195を有するレザバー185により終結す
る。チャネル186は電極197を有するレザバー187により
終結する。そしてチャネル188は電極199を有するレザバ
ー189により終結する。
FIG. 4A shows a block of a multiplexed power supply system with two power supplies 200 and 202 and a controller block 204 for an example simple microfluidic system with channels 180 intersecting channels 182, 184, 186 and 188. It is a figure. Channel 180 has electrodes 190 and 191 respectively.
Ends in reservoirs 179 and 181 with. channel
182 terminates with a reservoir 183 having an electrode 193. The channel 184 terminates with a reservoir 185 having an electrode 195. The channel 186 terminates with a reservoir 187 having an electrode 197. The channel 188 is then terminated by a reservoir 189 having an electrode 199.

電源200および202は、微小流体システムのそれぞれ異
なる電極190、191、193、195、197および199に接続され
る。電源200は3つの電極190、193および195に接続さ
れ、電極202は残りの3つの電極191、197および199に接
続される。コントローラブロック204は各電源200および
202に接続されて、これらの電源の動作を調整する。例
えば、チャネル182、184、186および188を通る流体の移
動を制御するためには、電極190、191、193、195、197
および199の電圧は適切にタイミング動作(timed)され
なければならない。コントローラブロック204が電源200
および202に指示を与えると、電極の電圧は、例えば、
上述のように電流に応じて変化する。
Power sources 200 and 202 are connected to different electrodes 190, 191, 193, 195, 197 and 199 of the microfluidic system. The power supply 200 is connected to the three electrodes 190, 193 and 195, and the electrode 202 is connected to the remaining three electrodes 191, 197 and 199. The controller block 204 includes each power supply 200 and
Connected to 202 to regulate the operation of these power supplies. For example, to control the movement of fluid through channels 182, 184, 186 and 188, electrodes 190, 191, 193, 195, 197 are used.
The voltages at 199 and 199 must be properly timed. Controller block 204 is power supply 200
And 202, the voltage on the electrodes is, for example,
As described above, it changes depending on the current.

電源200および202のそれぞれは、図4Bに示されるユニ
ットにまとめられる。制御ユニット212は、制御ブロッ
ク204からの制御信号を受信して、切り替えユニット214
の動作の指示を与える。切り替えユニット214は、電源
ユニット216に接続されており、電源ユニット216を接続
電極に接続するかまたは遮断する。つまり、切り替えユ
ニット214は、その接続電極間で電源ユニット216からの
電力を時間多重化する。電源ユニット216はまた、制御
ユニット212に接続され、制御ユニットは、電源ユニッ
ト216から切り替えユニット214への出力の変動の指示を
与える。別の構成では、電源ユニット216が定電圧を供
給し、電極への平均電圧が、切り替えユニット214を通
る接続デューティサイクルを変動させることによって変
えられる場合は、制御ユニット212へのこの接続は必要
とされない。
Each of the power supplies 200 and 202 is combined into the unit shown in Figure 4B. The control unit 212 receives the control signal from the control block 204 and switches the switching unit 214.
Give instructions for the operation. The switching unit 214 is connected to the power supply unit 216 and connects or disconnects the power supply unit 216 to the connection electrode. That is, the switching unit 214 time-multiplexes the electric power from the power supply unit 216 between the connection electrodes. The power supply unit 216 is also connected to the control unit 212, which gives an indication of the variation of the output from the power supply unit 216 to the switching unit 214. In another configuration, this connection to the control unit 212 is necessary if the power supply unit 216 provides a constant voltage and the average voltage to the electrodes is changed by varying the connection duty cycle through the switching unit 214. Not done.

図6Aは、図4Bの電源ユニット216として使用され得る
電源のブロック図である。もしくは、時間多重化が用い
られない場合は、図示した電源は、微小流体システムの
電極に直接接続され得る。電源は、安定電圧を電極に供
給し得るか、または安定電流を供給またはシンクし得
る。
FIG. 6A is a block diagram of a power supply that can be used as the power supply unit 216 of FIG. 4B. Alternatively, if time multiplexing is not used, the illustrated power supply can be directly connected to the electrodes of the microfluidic system. The power supply may supply a stable voltage to the electrodes or may supply or sink a stable current.

電源は、−5から+5ボルトの制御可能基準電圧が供
給される入力端子240を有し、この電圧の大きさは、出
力端子241では数百ボルトまで段階的に上げられる。入
力端子は、抵抗227を介して入力演算振幅器230の負の入
力端子に接続される。演算振幅器230の正の入力端子は
接地され、出力端子は、直列接続されたフィードバック
キャパシタ220および抵抗器228を介して負の入力端子に
接続される。出力端子はまた、DC−DC変換器231の入力
端子に接続される。これの第2の入力端子は接地され
る。変換器231の出力側は、増幅器230から受け取られた
電圧を段階的に上昇させ、電源の出力端子241に接続さ
れる。変換器231の第2の出力端子は抵抗器222を介して
接地される。
The power supply has an input terminal 240 supplied with a controllable reference voltage of -5 to +5 volts, the magnitude of which is stepped up to several hundred volts at the output terminal 241. The input terminal is connected to the negative input terminal of the input calculation amplitude unit 230 via the resistor 227. The positive input terminal of the operational amplifier 230 is grounded, and the output terminal is connected to the negative input terminal via the feedback capacitor 220 and the resistor 228 which are connected in series. The output terminal is also connected to the input terminal of the DC-DC converter 231. Its second input terminal is grounded. The output side of the converter 231 steps up the voltage received from the amplifier 230 and is connected to the output terminal 241 of the power supply. The second output terminal of converter 231 is grounded through resistor 222.

電源の出力端子241はまた、分圧回路を形成する2つ
の直列接続した抵抗221および223を介して接地するよう
に接続される。2つの抵抗221および223間のノードは、
電流/電圧モードスイッチ234の一方の入力端子に接続
される。ノードはまた、抵抗225を介してフィードバッ
ク演算増幅器232の負の入力端子に接続される。負の入
力端子はまた、抵抗器224を介して変換器231の出力端子
に、およびフィードバック抵抗器226を介して増幅器232
の出力端子に接続される。増幅器232の出力端子はま
た、スイッチ234の第2の入力端子に接続される。スイ
ッチは、抵抗器229を介して入力演算増幅器230の負の入
力端子に接続される出力端子を有する。
The output terminal 241 of the power supply is also connected to ground via two series-connected resistors 221 and 223 forming a voltage divider circuit. The node between the two resistors 221 and 223 is
Connected to one input terminal of current / voltage mode switch 234. The node is also connected to the negative input terminal of feedback operational amplifier 232 via resistor 225. The negative input terminal is also connected to the output terminal of converter 231 via resistor 224 and to amplifier 232 via feedback resistor 226.
Connected to the output terminal of. The output terminal of amplifier 232 is also connected to the second input terminal of switch 234. The switch has an output terminal connected through a resistor 229 to the negative input terminal of the input operational amplifier 230.

スイッチ234は制御端子242の信号に応答する。図6Aに
示すように、スイッチ234は、その出力端子を、フィー
ドバック演算増幅器232の出力端子か、または2つの抵
抗器221および223間の分圧ノードに接続する。この接続
により、電源回路が電圧モード(分圧ノードに接続)で
動作するか、または電流モード(フィードバック演算増
幅器232の出力に接続)で動作するかが決定される。抵
抗器221は非常に大きく約15MΩであるため、電源が作動
すると出力端子241の電圧は容易にフィードバックされ
得ることに留意されたい。
The switch 234 responds to the signal on the control terminal 242. As shown in FIG. 6A, the switch 234 connects its output terminal to the output terminal of the feedback operational amplifier 232 or to the voltage dividing node between the two resistors 221 and 223. This connection determines whether the power supply circuit operates in voltage mode (connected to the voltage divider node) or current mode (connected to the output of the feedback operational amplifier 232). Note that resistor 221 is very large, about 15 MΩ, so the voltage at output terminal 241 can easily be fed back when the power supply is activated.

図6Aの回路は、異なる演算ブロックに分離され得る。
演算増幅器230、抵抗器227〜229およびキャパシタ220は
混合ブロックの一部である。混合ブロックは、以下に述
べる入力端子240における制御可能基準電圧Vrefとフィ
ードバック電圧とを受け取り、Vrefとフィードバック電
圧との組み合わせである、DC−DCコンバータ231用の出
力電圧を生成する。電源は、基準電圧Vrefおよびその近
傍で動作する。図6Bにおいて電圧増幅器として示すコン
バータ231は、単に、演算増幅器230からの電圧を増幅す
る。電圧増幅器の一方の出力端子は、出力端子241と抵
抗器221の端子とに接続されている。電圧増幅器の他方
の出力端子は、抵抗器222を介してグランドに接続され
ている。抵抗器221〜223は、フィードバックブロックの
一部と考えられ得、フィードバックブロックはさらに抵
抗224〜226および演算増幅器232を有する。スイッチ234
もまたフィードバックブロックの一部であり、上述した
ように混合ブロックの第2の入力端子に接続されてい
る。
The circuit of FIG. 6A may be separated into different arithmetic blocks.
The operational amplifier 230, resistors 227-229 and capacitor 220 are part of the mixing block. The mixing block receives the controllable reference voltage V ref and the feedback voltage at input terminal 240, described below, and produces an output voltage for the DC-DC converter 231, which is a combination of V ref and the feedback voltage. The power supply operates at and near the reference voltage V ref . Converter 231 shown as a voltage amplifier in FIG. 6B simply amplifies the voltage from operational amplifier 230. One output terminal of the voltage amplifier is connected to the output terminal 241 and the terminal of the resistor 221. The other output terminal of the voltage amplifier is connected to the ground via the resistor 222. Resistors 221-223 may be considered part of the feedback block, which further comprises resistors 224-226 and operational amplifier 232. Switch 234
Is also part of the feedback block and is connected to the second input terminal of the mixing block as described above.

動作的には、混合ブロックは演算増幅器230を有し、
演算増幅器230は、加算増幅器として、抵抗226〜228と
接続されている。キャパシタ220が演算増幅器230のフィ
ードバックループ内にある場合、演算増幅器230の出力
電圧は、基準電圧Vrefとスイッチ234からのフィードバ
ック電圧との和(又は差)の、経時的に積分された電圧
である。言うまでもなく、基準電圧Vrefおよびフィード
バック電圧は、抵抗229および227の値により選択的に重
みづけされ得る。キャパシタ220および増幅器230はさら
に、電源から高周波変動を除去するフィルタとして作用
する。
Operationally, the mixing block has an operational amplifier 230,
The operational amplifier 230 is connected to the resistors 226 to 228 as a summing amplifier. When the capacitor 220 is in the feedback loop of the operational amplifier 230, the output voltage of the operational amplifier 230 is the sum (or difference) of the reference voltage V ref and the feedback voltage from the switch 234, which is the integrated voltage over time. is there. Of course, the reference voltage V ref and the feedback voltage may be selectively weighted by the value of resistors 229 and 227. Capacitor 220 and amplifier 230 also act as a filter to remove high frequency fluctuations from the power supply.

演算増幅器230からの出力信号は、追加の要素(図示
せず)によって状態を整えられ得る、例えば、整流され
得るか又はバッファされ得る。しかし、本発明の理解の
ために、DC−DCコンバータ231によって受け取られる電
圧であるVINは、演算増幅器230の出力電圧と同一である
と考えられ得る。図6Bに示すように、VINはゲインファ
クタAによって増幅され、増幅された電圧AVINは出力端
子241上で生成される。
The output signal from operational amplifier 230 may be conditioned, eg, rectified or buffered, by additional elements (not shown). However, for the understanding of the present invention, the voltage received by the DC-DC converter 231, V IN , can be considered to be the same as the output voltage of the operational amplifier 230. As shown in FIG. 6B, V IN is amplified by gain factor A, and the amplified voltage AV IN is produced on output terminal 241.

フィードバックブロックは、出力端子241とグランド
との間に接続されている抵抗器221および223によって形
成される分圧回路を有する。抵抗器221と223との間のノ
ードにおける電圧は、出力端子241における電圧に直接
比例する。スイッチ234が制御端子242上の信号に応答し
て電圧フィードバックモードを選択すると、ノード電圧
は、混合ブロックおよび演算増幅器230に直接フィード
バックされる。負のフィードバックは、端子241におけ
る出力を安定化する。例えば、端子241における電圧が
高い場合、フィードバック電圧は高い。このことは、演
算増幅器230の出力電圧を降下させ、それにより出力端
子241における高電圧に対する補正を行う。出力端子241
における電圧をモニタするために、ノードはさらに、単
一のバッファとして構成される演算増幅器251に接続さ
れ、フィードバック電圧をモニタリング回路(図示せ
ず)に送信する。
The feedback block has a voltage divider circuit formed by resistors 221 and 223 connected between the output terminal 241 and ground. The voltage at the node between resistors 221 and 223 is directly proportional to the voltage at output terminal 241. When switch 234 selects the voltage feedback mode in response to the signal on control terminal 242, the node voltage is fed back directly to the mixing block and operational amplifier 230. Negative feedback stabilizes the output at terminal 241. For example, if the voltage at terminal 241 is high, the feedback voltage is high. This causes the output voltage of operational amplifier 230 to drop, thereby compensating for the high voltage at output terminal 241. Output terminal 241
To monitor the voltage at the node, the node is further connected to an operational amplifier 251 configured as a single buffer and sends the feedback voltage to a monitoring circuit (not shown).

フィードバックブロックはさらに、演算増幅器232お
よび抵抗224〜226を有する。抵抗224〜226は、加算増幅
器としての演算増幅器232を構成するように接続されて
いる。加算増幅器への一方の入力は、抵抗器221と223と
の間のノードに接続される。第2の入力は、グランドに
接続された抵抗器222とDC−DCコンバータ231の第2の出
力端子との間に接続されている。加算増幅器は、直列接
続された抵抗器221および223を介する電流量とコンバー
タ231を介する電流量(抵抗器222と224とを介する総電
流量)との差を測定する。実際には、加算増幅器は、出
力端子241を介して流れている電流量を測定する。従っ
て、スイッチ234が電流フィードバックモードにセット
されると、加算増幅器として作用する演算増幅器232か
らの出力は、混合ブロックに送信され、電源回路は、電
源端子241を介して微小流体システムの接続された電極
に流れている電流量またはその近傍に安定化される。
The feedback block further comprises an operational amplifier 232 and resistors 224-226. The resistors 224-226 are connected to form an operational amplifier 232 as a summing amplifier. One input to the summing amplifier is connected to the node between resistors 221 and 223. The second input is connected between the resistor 222 connected to ground and the second output terminal of the DC-DC converter 231. The summing amplifier measures the difference between the amount of current through series connected resistors 221 and 223 and the amount of current through converter 231 (total amount of current through resistors 222 and 224). In practice, the summing amplifier measures the amount of current flowing through output terminal 241. Thus, when switch 234 is set to the current feedback mode, the output from operational amplifier 232, which acts as a summing amplifier, is sent to the mixing block and the power circuit is connected to the microfluidic system via power terminal 241. It is stabilized at or near the amount of current flowing through the electrodes.

加算増幅器の出力はさらに、単一のバッファとして構
成される演算増幅器250に接続され、出力電圧をモニタ
リング回路(図示せず)に送信する。モニタリング回路
は、演算増幅器250および251の出力から、出力端子241
における電圧および端子を通る電流の測定値を有する。
このことはさらに、モニタリング回路が、電源回路によ
り供給されている電力の量を決定し且つ制御することを
可能にする。
The output of the summing amplifier is further connected to an operational amplifier 250 configured as a single buffer, which sends the output voltage to a monitoring circuit (not shown). The monitoring circuit operates from the outputs of operational amplifiers 250 and 251 to output terminal 241.
With a measurement of the voltage at and the current through the terminals.
This further allows the monitoring circuit to determine and control the amount of power being supplied by the power supply circuit.

上述した電源の、可変ソースとして作用する能力は、
微小流体システムの微小チャネルを介する流体の流れの
方向が、電子的に変更されることを可能にする。全ての
電極が上述した電源の1以上に接続されている場合、微
小流体システムの動作は大幅に向上し、システム内のチ
ャネルネットワークを介する流体の所望の動きは、はる
かにフレキシブルである。
The ability of the above power supply to act as a variable source is
Allows the direction of fluid flow through the microchannels of the microfluidic system to be electronically altered. When all electrodes are connected to one or more of the power supplies described above, the operation of the microfluidic system is greatly enhanced and the desired movement of fluid through the channel network in the system is much more flexible.

電流制御システムとしての動作にもかかわらず、微小
流体システム内のノードにおける電圧を決定する必要性
がしばしばある。本発明はさらに、このような電圧モニ
タリングの手段を提供する。図5Aに示すように、電気的
リード160が、微小流体システムの所望のノード178近傍
の基板176の表面上に形成されている。ノード173は、各
端部にリザバー169および171を有するチャネル170とチ
ャネル172および174との交点にある。チャネル174の端
部はリザバー175を有し、チャネル172の端部(およびリ
ザバー)は図示されていない。
Despite acting as a current control system, there is often a need to determine the voltage at a node in a microfluidic system. The invention further provides means for such voltage monitoring. As shown in FIG. 5A, electrical leads 160 are formed on the surface of the substrate 176 near the desired node 178 of the microfluidic system. Node 173 is at the intersection of channels 170 and 172 and 174 with reservoirs 169 and 171 at each end. The end of channel 174 has a reservoir 175 and the end of channel 172 (and the reservoir) are not shown.

リード160は好適には、導電性金属または合金、好適
には集積回路に用いられるクロム上の金またはチタン上
のプラチナなどの貴金属の堆積により形成される。半導
体フォトリソグラフィー技術により、リード160は1μ
m未満の幅で規定され得る。電解を防止するために、チ
ャネル170内のリード160の幅は、チャネル170内のリー
ドに印加される電圧が常に1ボルト未満、好適には0.1
ボルト未満であるに十分狭い。
The leads 160 are preferably formed by deposition of a conductive metal or alloy, preferably a noble metal such as gold on chrome or platinum on titanium used in integrated circuits. Lead 160 is 1μ by semiconductor photolithography technology
It may be defined with a width of less than m. To prevent electrolysis, the width of lead 160 in channel 170 is such that the voltage applied to the lead in channel 170 is always less than 1 volt, preferably 0.1.
Narrow enough to be less than a volt.

微小流体システム内において用いられる電圧は高い。
チャネルノード173における電圧をリード160を介して直
接測定する電圧計は、このような高い電圧を測定するこ
とができるようにするために、非常に高い入力インピー
ダンスを有していなければならない。このような電圧計
は高価である。さらに、微小流体システムの基板の取り
扱いは、汚染の可能性を増加させる。このような汚染
は、微小流体システムのチャネル内の動電の適切な動作
のために要する電圧(および電界)に深刻な影響を及ぼ
し得る。
The voltages used in microfluidic systems are high.
A voltmeter that measures the voltage at channel node 173 directly via lead 160 must have a very high input impedance in order to be able to measure such high voltages. Such a voltmeter is expensive. Moreover, handling of substrates in microfluidic systems increases the potential for contamination. Such contamination can seriously affect the voltage (and electric field) required for proper operation of electrokinetic in the channels of a microfluidic system.

これらの問題点およびコストを回避するために、リー
ド160は、これもまた基板178の表面上に形成されている
分圧回路163に接続されている。分圧回路163の出力は、
導電性出力リード161によって担持される。回路163はさ
らに、導電性リード162によって電圧基準に接続されて
いる。
To avoid these problems and costs, leads 160 are connected to a voltage divider circuit 163, which is also formed on the surface of substrate 178. The output of the voltage dividing circuit 163 is
Carried by a conductive output lead 161. Circuit 163 is further connected to a voltage reference by conductive leads 162.

分圧回路163は、図5Bにより詳細に示されており、分
圧回路として接続された抵抗器165および166により、標
準的半導体製造技術によって形成される。リード160
は、回路163の入力端子に接続されており、入力端子
は、アンドープまたは軽くドープされたポリシリコンま
たはアルミナなどの高抵抗物質の線形パターンの一端で
ある。線形パターンの他端は、基準リード162に接続さ
れている。基準リード162は、基板168上にも形成され、
外部基準電圧、おそらくグランドにつながっている。説
明のために示すように、リード160の電圧は、10:1の比
率で分割される。線形パターンは、抵抗器165と抵抗器1
66とに分割される。抵抗器165は抵抗器166の9倍のルー
プを有する。すなわち、抵抗器165の抵抗は、抵抗器166
の抵抗の9倍である。言うまでもなく、他の比率も用い
られ得、1000:1の比率が典型的である。2つの抵抗器16
5と166との間に接続された出力リード161は、電圧計に
よって低電圧が読み取られるように、外部接続につなが
っている。カバープレートがリード160〜162、分圧回路
163および基板表面を汚染から保護している。
The voltage divider circuit 163 is shown in more detail in FIG. 5B and is formed by standard semiconductor manufacturing techniques with resistors 165 and 166 connected as a voltage divider circuit. Reed 160
Is connected to an input terminal of circuit 163, which is one end of a linear pattern of a high resistance material such as undoped or lightly doped polysilicon or alumina. The other end of the linear pattern is connected to the reference lead 162. The reference lead 162 is also formed on the substrate 168,
Connected to external reference voltage, probably ground. As shown for purposes of illustration, the voltage on lead 160 is divided at a ratio of 10: 1. Linear pattern is resistor 165 and resistor 1
It is divided into 66 and. Resistor 165 has nine times as many loops as resistor 166. That is, the resistance of resistor 165 is
9 times the resistance of. Of course, other ratios may be used, with a 1000: 1 ratio being typical. Two resistors 16
An output lead 161 connected between 5 and 166 connects to an external connection so that the low voltage can be read by a voltmeter. Cover plate has leads 160-162, voltage divider circuit
163 and protects the substrate surface from contamination.

上記発明を明瞭化および理解を目的として、ある程度
詳細に説明したが、本発明の真の範囲から逸脱すること
なく、形態および詳細における様々な変化がなされ得る
ことは、この開示を読むことにより、当業者には明らか
である。本出願書類において引用された全ての刊行物お
よび特許文献は、全ての目的のために、各刊行物および
特許文献が個々に記載された場合と同一の程度に、その
全体が参考のため援用される。
While the above invention has been described in some detail for purposes of clarity and understanding, various changes in form and detail may be made by reading this disclosure without departing from the true scope of the invention. It will be apparent to those skilled in the art. All publications and patent documents cited in this application are incorporated by reference in their entirety for all purposes, to the same extent as if each publication and patent document were individually listed. It

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−300736(JP,A) 特開 平8−47251(JP,A) 特開 平5−113829(JP,A) 特開 平8−126311(JP,A) 実開 昭64−10816(JP,U) 国際公開96/04547(WO,A1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 27/447 JICSTファイル(JOIS)Continuation of the front page (56) Reference JP-A-6-300736 (JP, A) JP-A-8-47251 (JP, A) JP-A-5-113829 (JP, A) JP-A-8-126311 (JP , A) Actual development Sho 64-10816 (JP, U) International publication 96/04547 (WO, A1) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) G01N 27/447 JISST file (JOIS)

Claims (50)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】複数の相互接続されたキャピラリーチャネ
ルと、該キャピラリーチャネルの異なるノードにある複
数の電極であって、該キャピラリーチャネルに電界を作
りし、該キャピラリーチャネルを通して流体内の物質を
動電学的(electrokinetically)に移動させる複数の電
極とを有する微小流体(microfluidic)システムの使用
方法であって、該方法が、 該電極のうちの少なくとも3つの電極に、該システムの
他の電極に関して電圧を同時に印加する工程を包含し、
該電圧は、該少なくとも3つの電極のうちの少なくとも
2つの電極の電流に応答して、該システムの該複数のチ
ャネルの1つ以上の交差部内および該交差部を通して物
質を移動させる、方法。
1. A plurality of interconnected capillary channels and a plurality of electrodes at different nodes of the capillary channel for creating an electric field in the capillary channel for electrokinetic movement of a substance in a fluid through the capillary channel. A method of using a microfluidic system having a plurality of electrodes for electrokinetically moving, the method comprising: applying a voltage to at least three of the electrodes with respect to other electrodes of the system. Including the step of simultaneously applying
The method, wherein the voltage causes a substance to move in and through one or more intersections of the plurality of channels of the system in response to a current in at least two of the at least three electrodes.
【請求項2】前記微小流体システムが、3つよりも多い
電極を有する、請求項1に記載の方法。
2. The method of claim 1, wherein the microfluidic system has more than three electrodes.
【請求項3】前記電圧印加工程が、前記電流が実質的に
一定になるように前記電圧を制御する工程を包含する、
請求項2に記載の方法。
3. The step of applying a voltage includes the step of controlling the voltage so that the current becomes substantially constant.
The method of claim 2.
【請求項4】複数のキャピラリーチャネルと、該キャピ
ラリーチャネルの異なるノードにある複数の電極であっ
て、該キャピラリーチャネルに電界を作り出し、該キャ
ピラリーチャネルを通して流体内の物質を動電学的に移
動させる複数の電極とを有する微小流体システムの使用
方法であって、該方法が、 該システムの少なくとも3つの電極間の電気パラメータ
の適用の時間を同時に制御して、該電極間で物質を移動
させる工程を包含する、方法。
4. A plurality of capillary channels and a plurality of electrodes at different nodes of the capillary channels that create an electric field in the capillary channels to electrokinetically move substances in a fluid through the capillary channels. A method of using a microfluidic system having a plurality of electrodes, the method simultaneously controlling the time of application of an electrical parameter between at least three electrodes of the system to transfer a substance between the electrodes. Including the method.
【請求項5】前記物質が、前記システムの前記電極間の
前記電気パラメータの一定の適用と同等に移動するよう
に、前記適用が制御される、請求項4に記載の方法。
5. The method of claim 4, wherein the application is controlled such that the substance migrates equivalently to the constant application of the electrical parameter between the electrodes of the system.
【請求項6】前記適用が、前記電気パラメータが適用さ
れる時間のパーセンテージを変えることによって制御さ
れる、請求項5に記載の方法。
6. The method of claim 5, wherein the application is controlled by varying the percentage of time that the electrical parameter is applied.
【請求項7】前記電気パラメータが、電圧を含む、請求
項4に記載の方法。
7. The method of claim 4, wherein the electrical parameter comprises voltage.
【請求項8】前記電気パラメータが、電流を含む、請求
項4に記載の方法。
8. The method of claim 4, wherein the electrical parameter comprises current.
【請求項9】前記電気パラメータが、電力を含む、請求
項4に記載の方法。
9. The method of claim 4, wherein the electrical parameter comprises power.
【請求項10】絶縁性基板にある複数のキャピラリーチ
ャネルと、 該キャピラリーチャネルの異なるノードにある複数の電
極であって、該キャピラリーチャネルに電界を作り出
し、該キャピラリーチャネルを通して流体内の物質を動
電学的に流すための複数の電極と、 該基板上にある少なくとも1つの導電性リードであっ
て、該キャピラリーチャネル位置まで延び、それによっ
て、該キャピラリーチャネル位置の電圧が決定され得る
少なくとも1つの導電性リードとを含み、前記キャピラ
リーチャネル位置で、前記導電性リードに1ボルト未満
の電圧が作り出されるように、該導電性リードが十分に
小さい幅を有する、微小流体システム。
10. A plurality of capillary channels on an insulating substrate and a plurality of electrodes on different nodes of the capillary channel, which create an electric field in the capillary channel to electrokinetically move a substance in a fluid through the capillary channel. A plurality of electrodes for biological flow and at least one electrically conductive lead on the substrate, the at least one electrically conductive lead extending to the capillary channel position, whereby the voltage at the capillary channel position can be determined. A microfluidic system comprising a conductive lead, the conductive lead having a width sufficiently small such that a voltage of less than 1 volt is created across the conductive lead at the capillary channel location.
【請求項11】前記キャピラリーチャネル位置で、前記
導電性リードに0.1ボルト未満の電圧が作り出されるよ
うに、該導電性リードが十分に小さい幅を有する、請求
項10に記載の微小流体システム。
11. The microfluidic system of claim 10, wherein the conductive leads have a width small enough so that a voltage of less than 0.1 volt is created across the conductive leads at the capillary channel locations.
【請求項12】前記導電性リードが、該基板上の分圧器
回路を形成するように構成され、該導電性リードから受
け取られた電圧は、前記キャピラリーチャネル位置での
前記電圧の一部分である、請求項11に記載の微小流体シ
ステム。
12. The conductive lead is configured to form a voltage divider circuit on the substrate, the voltage received from the conductive lead being a portion of the voltage at the capillary channel location. The microfluidic system of claim 11.
【請求項13】前記基板を覆う絶縁性プレートをさらに
含み、前記導電性リードが、該基板の縁部まで延びる、
請求項10に記載の微小流体システム。
13. An insulating plate overlying the substrate, the conductive leads extending to an edge of the substrate.
The microfluidic system of claim 10.
【請求項14】複数の相互接続されたキャピラリーチャ
ネルを有する基板と、 該キャピラリーチャネルの異なるノードにある複数の電
極であって、該キャピラリーチャネルに電界を作り出し
て、該キャピラリーチャネルを通して流体中の物質を動
電学的に移動させるための複数の電極と、 前記複数の電極に接続される1以上の電源とを含み、こ
の1以上の電源の各々が、 制御可能な基準電圧を受け取るための第1の入力端子
と、第2の入力端子と、出力端子とを有する混合ブロッ
クと、 該混合ブロックの該出力端子に接続され、第1および第
2の出力端子を有する電圧増幅器であって、該第1の出
力端子が、少なくとも1つの電極に接続される電圧増幅
器と、 該電圧増幅器の該第1の出力端子に接続されるフィード
バックブロックであって、該混合ブロックの該第2の入
力端子に接続される出力端子を有し、負のフィードバッ
クを与えて該電源を安定化するフィードバックブロック
をさらに含む、微小流体システム。
14. A substrate having a plurality of interconnected capillary channels, and a plurality of electrodes at different nodes of the capillary channel for creating an electric field in the capillary channel to create a substance in a fluid through the capillary channel. A plurality of electrodes for electrokinetic movement, and one or more power supplies connected to the plurality of electrodes, each of the one or more power supplies receiving a controllable reference voltage. A mixed block having one input terminal, a second input terminal and an output terminal; and a voltage amplifier connected to the output terminal of the mixed block and having first and second output terminals, The first output terminal is a voltage amplifier connected to at least one electrode, and a feedback block connected to the first output terminal of the voltage amplifier. Has an output terminal connected to an input terminal of the second of the mixing block further comprises a feedback block to stabilize the power supply to give a negative feedback, microfluidic systems.
【請求項15】前記フィードバックブロックが、分圧器
回路を介して前記第1の出力端子に接続される、請求項
14に記載の微小流体システム。
15. The feedback block is connected to the first output terminal via a voltage divider circuit.
14. The microfluidic system according to 14.
【請求項16】前記フィードバックブロックが、前記第
1の出力端子の電圧に応答して、前記混合ブロックにフ
ィードバックを与える、請求項15に記載の微小流体シス
テム。
16. The microfluidic system of claim 15, wherein the feedback block provides feedback to the mixing block in response to the voltage at the first output terminal.
【請求項17】前記フィードバックブロックが、前記電
圧増幅器の前記第2の出力端子に接続され、該フィード
バックブロックが、前記第1の出力端子を介して流され
た(sourced)または減少した(sunk)電流量に応答し
て、出力電圧を発生し、該フィードバックブロックが、
該第1の出力端子を介して流されたまたは減少した該電
流量に応答して、前記混合ブロックにフィードバックを
与える、請求項15に記載の微小流体システム。
17. The feedback block is connected to the second output terminal of the voltage amplifier, the feedback block being sourced or sunk through the first output terminal. In response to the amount of current, an output voltage is generated, the feedback block
16. The microfluidic system of claim 15, which provides feedback to the mixing block in response to the amount of current passed or reduced through the first output terminal.
【請求項18】前記フィードバックブロックが、前記分
圧器回路に接続される第1の入力と、前記電圧増幅器の
前記第2の出力端子に接続される第2の入力とを有する
加算増幅器を有し、該加算増幅器が、前記第1の出力端
子を介して流されたまたは減少した前記電流量に応答し
て、前記出力電圧を発生する、請求項17に記載の微小流
体システム。
18. The feedback block comprises a summing amplifier having a first input connected to the voltage divider circuit and a second input connected to the second output terminal of the voltage amplifier. The microfluidic system of claim 17, wherein the summing amplifier is responsive to the amount of current drawn or reduced through the first output terminal to generate the output voltage.
【請求項19】前記フィードバックブロックが、前記電
圧増幅器の前記第2の出力端子に接続され、該フィード
バックブロックは、前記第1の出力端子の電圧に応答し
て第1のフィードバック電圧を発生し、該第1の出力端
子を介して流されたまたは減少した電流量に応答して第
2のフィードバック電圧を発生し、該フィードバックブ
ロックは、制御信号に応答して、該第1または第1及び
第2両方のフィードバック電圧を前記混合ブロックに送
るためのスイッチを有し、そのため、前記電源が、電圧
または電流フィードバックによってそれぞれ選択可能に
安定化される、請求項15に記載の微小流体システム。
19. The feedback block is connected to the second output terminal of the voltage amplifier, the feedback block generating a first feedback voltage in response to a voltage at the first output terminal. A second feedback voltage is generated in response to an amount of current drawn or reduced through the first output terminal, and the feedback block is responsive to a control signal to the first or first and first feedback voltages. 16. The microfluidic system according to claim 15, comprising a switch for sending both two feedback voltages to the mixing block, so that the power supply is selectively regulated by voltage or current feedback, respectively.
【請求項20】前記フィードバックブロックに接続され
る第1および第2の緩衝回路(buffer)をさらに含み、
該第1の緩衝回路が、前記第1のフィードバック電圧を
伝送し、該第2の緩衝回路が、前記第2のフィードバッ
ク電圧を伝送し、該第1および第2のフィードバック電
圧がモニタされ得る、請求項19に記載の微小流体システ
ム。
20. Further comprising first and second buffer circuits connected to said feedback block,
The first buffer circuit may carry the first feedback voltage, the second buffer circuit may carry the second feedback voltage, and the first and second feedback voltages may be monitored. 20. The microfluidic system of claim 19.
【請求項21】前記混合ブロックが、加算増幅器として
接続される演算増幅器を含む、請求項14に記載の微小流
体システム。
21. The microfluidic system of claim 14, wherein the mixing block includes an operational amplifier connected as a summing amplifier.
【請求項22】前記演算増幅器がさらに、積分器として
接続される、請求項21に記載の微小流体電源システム。
22. The microfluidic power supply system of claim 21, wherein the operational amplifier is further connected as an integrator.
【請求項23】微小流体システムの少なくとも1つの電
極への接続のための電源であって、 制御可能な基準電圧を受け取るための第1の入力端子、
第2の入力端子、および出力端子とを有する混合ブロッ
クと、 該混合ブロックの該出力端子に接続され、第1および第
2の出力端子を有する電圧増幅器であって、該第1の出
力端子が、該少なくとも1つの電極に接続される電圧増
幅器と、 該電圧増幅器の該第1および第2の出力端子と、該混合
ブロックの該第2の入力端子とに接続されるフィードバ
ックブロックであって、該第1の出力端子の電圧に応答
して第1のフィードバック電圧を発生し、該第1の出力
端子を介して流されたまたは減少した電流量に応答して
第2のフィードバック電圧を発生するフィードバックブ
ロックとを含み、該フィードバックブロックは、制御信
号に応答して該混合ブロックに該第1または第1及び第
2両方のフィードバック電圧を送るためのスイッチを有
し、それにより、該電源の電圧または電流がそれぞれ、
負のフィードバックによって選択可能に安定化される、
電源。
23. A power supply for connection to at least one electrode of a microfluidic system, the first input terminal for receiving a controllable reference voltage,
A mixing block having a second input terminal and an output terminal, and a voltage amplifier connected to the output terminal of the mixing block and having first and second output terminals, the first output terminal being A feedback block connected to the at least one electrode, a voltage amplifier connected to the first and second output terminals of the voltage amplifier, and the second input terminal of the mixing block, Generating a first feedback voltage in response to the voltage at the first output terminal and generating a second feedback voltage in response to the amount of current drawn or reduced through the first output terminal. A feedback block, the feedback block having a switch for sending the first or both first and second feedback voltages to the mixing block in response to a control signal. , Whereby the voltage or current of the power supply, respectively,
Selectively stabilized by negative feedback,
Power supply.
【請求項24】前記フィードバックブロックが、分圧器
回路を介して前記電圧増幅器の前記第1の出力端子に接
続される、請求項23に記載の電源。
24. The power supply of claim 23, wherein the feedback block is connected to the first output terminal of the voltage amplifier via a voltage divider circuit.
【請求項25】前記フィードバックブロックが、前記電
圧増幅器の前記第2の出力端子に接続され、該フィード
バックブロックが、前記第1の出力端子を介して流され
たまたは減少した電流量に応答して出力電圧を発生す
る、請求項23に記載の電源。
25. The feedback block is connected to the second output terminal of the voltage amplifier, the feedback block responsive to an amount of current drawn or reduced through the first output terminal. 24. The power supply of claim 23, which produces an output voltage.
【請求項26】前記フィードバックブロックに接続され
る第1および第2の緩衝回路(buffer)をさらに含み、
該第1の緩衝回路は、前記第1のフィードバック電圧を
伝送し、該第2の緩衝回路は、前記第2のフィードバッ
ク電圧を伝送し、該第1および第2のフィードバック電
圧は、モニタされ得る、請求項23に記載の電源。
26. Further comprising first and second buffer circuits connected to said feedback block,
The first buffer circuit carries the first feedback voltage, the second buffer circuit carries the second feedback voltage, and the first and second feedback voltages may be monitored. The power supply according to claim 23.
【請求項27】前記フィードバックブロックが、前記分
圧器回路に接続される第1の入力と、前記電圧増幅器の
前記第2の出力端子に接続される第2の入力とを有する
加算増幅器を有し、該加算増幅器が、前記第1の出力端
子を介して流されたまたは減少した前記電流量に応答し
て前記出力電圧を発生する、請求項25に記載の電源。
27. The feedback block comprises a summing amplifier having a first input connected to the voltage divider circuit and a second input connected to the second output terminal of the voltage amplifier. 26. The power supply of claim 25, wherein the summing amplifier produces the output voltage in response to the amount of current drawn or reduced through the first output terminal.
【請求項28】前記混合ブロックが、加算増幅器として
接続される演算増幅器を含む、請求項23に記載の電源。
28. The power supply of claim 23, wherein the mixing block includes an operational amplifier connected as a summing amplifier.
【請求項29】前記演算増幅器がさらに、積分器として
接続される、請求項28に記載の電源。
29. The power supply of claim 28, wherein the operational amplifier is further connected as an integrator.
【請求項30】複数の相互接続されたキャピラリーチャ
ネルを有する基板と、 該キャピラリーチャネルの異なるノードにある複数の電
極であって、該キャピラリーチャネルに電界を作り出し
て、該キャピラリーチャネルを通して流体中の物質を動
電学的に移動させるための複数の電極と、 該電極のそれぞれに接続される複数の電源であって、該
電源のそれぞれは、選択された電圧または選択された量
の電流を前記電極のうち少なくとも3つの電極に対し
て、該少なくとも3つの電極のうち少なくとも2つの電
極の電流に応答して、選択的に供給することができる、
複数の電源と、 を含む、微小流体システム。
30. A substrate having a plurality of interconnected capillary channels, and a plurality of electrodes at different nodes of the capillary channel, which create an electric field in the capillary channel to create a substance in a fluid through the capillary channel. A plurality of electrodes for electrokinetically moving the electrodes, and a plurality of power supplies connected to each of the electrodes, each of the power supplies supplying a selected voltage or a selected amount of current to the electrodes. To at least three of the electrodes in response to a current in at least two of the at least three electrodes.
A microfluidic system including a plurality of power supplies.
【請求項31】少なくとも2つの交差チャネル(inters
ecting channels)を有する基板の使用であって、該チ
ャネルに関連する少なくとも3つの電極のうちの少なく
とも2つにおける電流に応答して、前記少なくとも3つ
の電極間に電圧を印加することによって、対象物質(su
bject material)を動電学的に輸送(transported)す
る、使用。
31. At least two intersecting channels.
using a substrate having ecting channels) by applying a voltage between the at least three electrodes in response to a current in at least two of the at least three electrodes associated with the target material. (Su
bject material) electrokinetically transported.
【請求項32】前記基板が互いに常時流体連絡している
複数の相互接続されたチャネルおよび関連する電極を有
し、所定の電極の電流に応答して該電極に電圧を印加す
ることによって、該チャネルの1つ以上を組み込んだ
(incorporating)所定の経路に沿って対象物質を輸送
する、請求項31に記載の使用。
32. The substrate has a plurality of interconnected channels and associated electrodes that are in constant fluid communication with each other, wherein a voltage is applied to the electrodes in response to a current at the electrodes. 32. Use according to claim 31 for transporting a substance of interest along a predetermined path incorporating one or more of the channels.
【請求項33】少なくとも2つの交差チャネルを有する
基板の使用であって、該チャネルに関連する少なくとも
3つの電極間への、電気パラメータの制御されかつ時間
に依存しかつ同時の適用によって、対象物質を動電学的
に輸送する、使用。
33. Use of a substrate having at least two intersecting channels, by controlled and time-dependent and simultaneous application of electrical parameters between at least three electrodes associated with the channels. The use of electrokinetic transport.
【請求項34】前記電気パラメータは電圧を含む、請求
項33に記載の使用。
34. The use according to claim 33, wherein the electrical parameter comprises voltage.
【請求項35】前記電気パラメータは電流を含む、請求
項33に記載の使用。
35. The use according to claim 33, wherein the electrical parameter comprises current.
【請求項36】前記電気パラメータは電力を含む、請求
項33に記載の使用。
36. The use according to claim 33, wherein the electrical parameter comprises power.
【請求項37】複数のチャネルおよび該チャネルに関連
する複数の電極を有する絶縁性基板、及び前記複数の電
極に作動上接続された少なくとも1つの可変電圧コント
ローラの使用であって、該コントローラは、前記複数の
電極のうち少なくとも3つの電極に印加される電圧を前
記少なくとも3つ電極のうち少なくとも2つの電極での
電流の大きさに応答して制御するように構成され、該電
極への電圧の印加によって該チャネルに電界を生じさ
せ、該基板上の少なくとも1つの導電性リードがチャネ
ル位置まで延び、これにより、該チャネル位置の電気パ
ラメータを決定することができる、使用。
37. Use of an insulative substrate having a plurality of channels and a plurality of electrodes associated with the channels and at least one variable voltage controller operably connected to the plurality of electrodes, the controller comprising: The voltage applied to at least three electrodes of the plurality of electrodes is configured to be controlled in response to the magnitude of current in at least two electrodes of the at least three electrodes, and the voltage applied to the electrodes is controlled. Use, wherein the application causes an electric field in the channel to cause at least one conductive lead on the substrate to extend to the channel location, thereby determining an electrical parameter of the channel location.
【請求項38】前記導電性リードは十分に小さな幅を有
し、これにより、該チャネル位置で該導電性リードに1
ボルト未満、好ましくは0.1ボルト未満の電圧を作り出
す、請求項37に記載の使用。
38. The conductive lead has a width that is sufficiently small so that the conductive lead at the channel location
38. Use according to claim 37, which produces a voltage below volt, preferably below 0.1 volt.
【請求項39】複数の相互接続されたキャピラリーチャ
ネルと、該キャピラリーチャネルの異なるノードにある
複数の電極であって、該キャピラリーチャネルに電界を
作り出し、該キャピラリーチャネルを通して流体内の物
質を動電学的(electrokinetically)に移動させる複数
の電極と、該電極の少なくとも1つに接続される電源で
あって、基準電圧を受け取るための第1の入力端子、第
2の入力端子、および出力端子を有する混合ブロックを
持つ電源と、該混合ブロックの該出力端子に接続され、
第1および第2の出力端子を有する電圧増幅器であっ
て、該第1の出力端子が該少なくとも1つの電極に接続
される電圧増幅器と、該電圧増幅器の該第1の出力端子
に接続されるフィードバックブロックであって、該混合
ブロックの該第2の入力端子に接続される出力端子を有
し、負のフィードバックを与えて該電源を安定化するフ
ィードバックブロックとを有する絶縁性基板の使用。
39. A plurality of interconnected capillary channels and a plurality of electrodes at different nodes of the capillary channel, which create an electric field in the capillary channel to electrokinetically move a substance in a fluid through the capillary channel. A plurality of electrodes for moving electrokinetically, and a power supply connected to at least one of the electrodes, the first input terminal for receiving a reference voltage, the second input terminal, and the output terminal A power supply having a mixing block and connected to the output terminal of the mixing block,
A voltage amplifier having first and second output terminals, the first output terminal being connected to the at least one electrode, and the voltage amplifier being connected to the first output terminal of the voltage amplifier. The use of an insulating substrate having a feedback block having an output terminal connected to the second input terminal of the mixing block and providing negative feedback to stabilize the power supply.
【請求項40】前記フィードバックブロックが、前記電
圧増幅器の前記第2の出力端子にも接続され、該フィー
ドバックブロックが、前記第1の出力端子の電圧に応答
して、第1のフィードバック電圧を発生し、該第1の出
力端子を介して流されたまたは減少した電流量に応答し
て、第2のフィードバック電圧を発生し、該フィードバ
ックブロックは、制御信号に応答して該混合ブロックに
該第1または第2のフィードバック電圧を送るためのス
イッチを有し、それにより、該電源が、電圧または電流
のフィードバックによって選択可能に安定化される、請
求項39に記載の使用。
40. The feedback block is also connected to the second output terminal of the voltage amplifier, the feedback block generating a first feedback voltage in response to a voltage at the first output terminal. And generating a second feedback voltage in response to an amount of current drawn or reduced through the first output terminal, the feedback block responsive to a control signal to the mixing block. 40. The use according to claim 39, comprising a switch for delivering one or a second feedback voltage, whereby the power supply is selectively regulated by voltage or current feedback.
【請求項41】微小流体システムの少なくとも1つの電
極への接続のための電源の使用であって、該電源は、基
準電圧を受け取るための第1の入力端子、第2の入力端
子、および出力端子を有する混合ブロックと、該混合ブ
ロック出力端子に接続され、第1および第2の出力端子
を有する電圧増幅器であって、該第1の出力端子が該少
なくとも1つの電極に接続される電圧増幅器と、該電圧
増幅器の該第1および第2の出力端子ならびに該混合ブ
ロックの該第2の入力端子に接続されるフィードバック
ブロックとを有し、該フィードバックブロックは、該第
1の出力端子の電圧に応答して第1のフィードバック電
圧を発生し、該第1の出力端子を介して流されたまたは
減少した電流量に応答して第2のフィードバック電圧を
発生し、該フィードバックブロックは、制御信号に応答
して、該第1または第2のフィードバック電圧を該混合
ブロックに送るためのスイッチを有し、それによって、
該電源が、負のフィードバックによって選択可能に安定
化される、使用。
41. Use of a power supply for connecting to at least one electrode of a microfluidic system, the power supply comprising a first input terminal for receiving a reference voltage, a second input terminal, and an output. A voltage amplifier having a mixed block having a terminal and first and second output terminals connected to the mixed block output terminal, the first output terminal being connected to the at least one electrode And a feedback block connected to the first and second output terminals of the voltage amplifier and the second input terminal of the mixing block, the feedback block comprising a voltage at the first output terminal. Generating a first feedback voltage in response to the first feedback voltage and generating a second feedback voltage in response to the amount of current drawn or reduced through the first output terminal. Back block in response to the control signal, the first or the second feedback voltage a switch to send to the mixing block, whereby,
Use, wherein the power supply is selectively regulated by negative feedback.
【請求項42】基板が、複数の相互接続されたキャピラ
リーチャネルと、該キャピラリーチャネルの異なるノー
ドにある複数の電極であって、該キャピラリーチャネル
に電界を作り出して、該キャピラリーチャネルを通して
流体中の物質を動電学的に移動させるための複数の電極
と、該電極のそれぞれに接続される複数の電源であっ
て、該電源のそれぞれは、選択された電圧および選択さ
れた量の電流を前記電極のうち少なくとも3つの電極に
対して、該少なくとも3つの電極のうち少なくとも2つ
の電極の電流に応答して、選択的に供給することができ
る、複数の電源とを有する、微小流体システムの使用。
42. A substrate is a plurality of interconnected capillary channels and a plurality of electrodes at different nodes of the capillary channel that create an electric field in the capillary channels to create a substance in a fluid through the capillary channels. A plurality of electrodes for electrokinetically moving the electrodes, and a plurality of power supplies connected to each of the electrodes, each of the power supplies supplying a selected voltage and a selected amount of current to the electrodes. Of at least three of the electrodes, and a plurality of power supplies capable of selectively supplying in response to a current of at least two of the at least three electrodes.
【請求項43】対象物質を動電学的に輸送する少なくと
も2つの相互接続されたチャネルを有する基板と、電流
を測定する手段と、該チャネルに関連する少なくとも3
つの電極のうちの少なくとも2つにおける電流に応答し
て、前記少なくとも3つの電極間に電圧を印加する手段
とを含む、微小流体システム。
43. A substrate having at least two interconnected channels that electrokinetically transport a substance of interest, means for measuring an electric current, and at least 3 associated with the channels.
Means for applying a voltage between said at least three electrodes in response to an electric current in at least two of said electrodes.
【請求項44】前記基板が互いに常時流体連絡している
複数の相互接続されたチャネルおよび関連する電極を有
し、所定の電極の電流に応答して該電極に電圧に印加す
ることによって、該チャネルの1つ以上を組み込んだ所
定の経路に沿って対象物質を輸送する、請求項43に記載
のシステム。
44. The substrate has a plurality of interconnected channels and associated electrodes that are in constant fluid communication with each other, the voltage being applied to the electrodes in response to a current at the electrodes. 44. The system of claim 43, which transports a substance of interest along a predetermined path that incorporates one or more of the channels.
【請求項45】対象物質を動電学的に輸送する交差チャ
ネルを少なくとも有する基板と、該チャネルに関連する
少なくとも3つの電極間への、電気パラメータの制御さ
れかつ時間に依存しかつ同時に適用手段とを含む、微小
流体システム。
45. Controlled and time-dependent and simultaneous application means of electrical parameters between a substrate having at least crossed channels for electrokinetic transport of a substance of interest and at least three electrodes associated with the channels. A microfluidic system, including and.
【請求項46】前記電気パラメータは電圧を含む、請求
項45に記載のシステム。
46. The system of claim 45, wherein the electrical parameter comprises voltage.
【請求項47】前記電気パラメータは電流を含む、請求
項45に記載のシステム。
47. The system of claim 45, wherein the electrical parameter comprises current.
【請求項48】前記電気パラメータは電力を含む、請求
項45に記載のシステム。
48. The system of claim 45, wherein the electrical parameter comprises power.
【請求項49】複数のチャネルおよび該チャネルに関連
する複数の電極を有する絶縁性基板と、該電極に電圧を
印加することによって該チャネルに電界を発生する手段
と、該チャネル位置の電気パラメータを決定することが
できるようにチャネル位置まで延びた該基板上の少なく
とも1つの導電性リードとを含む微小流体システムであ
って、前記電界を発生する手段が、前記複数の電極に作
動上接続された少なくとも1つの可変電圧コントローラ
であって、前記複数の電極のうち少なくとも3つの電極
への印加電圧を前記少なくとも3つの電極のうち少なく
とも2つの電極での電流の大きさに応答して制御するよ
うに構成された該コントローラを含む、前記微小流体シ
ステム。
49. An insulating substrate having a plurality of channels and a plurality of electrodes associated with the channels, means for generating an electric field in the channels by applying a voltage to the electrodes, and an electrical parameter of the channel position. A microfluidic system comprising at least one conductive lead on the substrate extending to a channel location so that it can be determined, wherein the means for generating the electric field is operatively connected to the plurality of electrodes. At least one variable voltage controller for controlling an applied voltage to at least three electrodes of the plurality of electrodes in response to a magnitude of a current at at least two electrodes of the at least three electrodes. The microfluidic system including the configured controller.
【請求項50】前記導電性リードは十分に小さな幅を有
し、これにより、該チャネル位置で該導電性リードに1
ボルト未満、好ましくは0.1ボルト未満の電圧を作り出
す、請求項49に記載のシステム。
50. The conductive lead has a width that is sufficiently small so that the conductive lead at the channel location
50. The system according to claim 49, which produces a voltage below volt, preferably below 0.1 volt.
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